淺析WCDMA網絡的演進和部署

2019-11-05 02:59:04

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供稿：網友

摘要　文章首先簡要回顧了WCDMA技術標準演進R99、R4和R5等三個階段的主要特點，在此基礎上，分析了WCDMA網絡部署對GSM/GPRS網絡設備的影響；最后，給出了WCDMA無線網絡規劃應該注重的幾個要害因素。

1、WCDMA技術標準的演進

　　WCDMA作為3G的三大主流技術之一，是基于GSMMAP協議，通過引進CDMA技術演變而來的。3GPP關于WCDMA網絡技術標準的演進主要分為R99、R4、R5和R6等幾個主要階段。無線網絡的演進主要是通過采用高階調制方式和各種有效的糾錯機制等技術，不斷增強空中接口的數據吞吐能力；而核心網絡主要利用控制與承載、業務與應用相分離的思路，逐步從傳統的TDM組網方式向全ip組網方式演進。最終使無線網絡和核心網絡全部走向IP化，在整個技術演進過程中保證了業務的連續性、完善的QoS機制和網絡的安全性。以下對R99、R4和R5三個不同版本的主要技術特點進行了歸納：

　　1.1　R99

　　WCDMA R99在新的工作頻段上引入了基于每載頻5MHz帶寬的CDMA無線接入網絡，無線接入網絡主要由Node B(負責基帶處理、擴頻處理)和RNC(負責接入系統控制與治理)組成，同時引入了適于分組數據傳輸的協議和機制，數據速率可支持144kb/s、384 kb/s，理論上可達2Mb/s。

　　WCDMA R99核心網絡在網絡結構上與GSM保持一致，其電路域(CS)仍采用TDM技術，分組域(PS)則基于IP技術來組網。WCDMA R99的3G MSC/VLR與無線接入網絡(RAN)的接口Iu-cs采用ATM技術承載信令和話音，分組域R99 SGSN與RAN通過ATM進行信令交互，媒體流使用AAL5承載IP分組包。另外，為滿足RNC之間的軟切換功能，RNC之間還定義了Iur接口。而GSM的A接口采用基于傳統E1的七號信令協議，BSC/PCU與SGSN之間的Gb接口采用幀中繼續載信令和業務。因此，R99與GSM/GPRS的主要差別體現在傳輸模式和軟件協議的不同。

　　在用戶的安全機制上，GSM由AUC提供鑒權三元組，采用A3/A8算法對用戶進行鑒權及業務加密；R99由AuC提供鑒權五元組，定義了新的用戶加密算法(UEA)，并采用Authentication Token機制增強用戶鑒權機制的安全性。

　　1.2　R4

　　WCDMA R4與R99相比無線接入網的網絡結構沒有改變，其區別主要在于引入了TD-SCDMA技術，同時對一些接口協議的特性和功能進行了增強。

　　在電路域核心網中主要引入了基于軟交換架構的分層架構，將呼叫控制與承載層相分離，通過MSC Server、MGW將語音和控制信令分組化，使電路交換域和分組交換域可以承載在一個公共的分組骨干網上。R4主要實現了語音、數據、信令承載統一，這樣可以有效降低承載網絡的運營和維護成本；而在核心網中采用壓縮語音的分組傳送方式，可以節省傳輸帶寬，降低傳輸建設成本；另外，由于控制和承載分離，使得MGW和Server可以靈活放置，提高了組網的靈活性，集中放置的Server可以使業務的開展更快捷。當然，由于R4網絡主要是基于軟交換結構的網絡，為向R5的順利演變奠定了基礎。

　　1.3　R5

　　WCDMA R5在無線網絡中主要引入基于IP的RAN和HSPDA的功能，尤其引人關注的是HSDPA支持高速下行分組數據接入，理論峰值數據速率可高達14.4Mb/s。目前HSDPA系統下行速率可達3.6Mb/s，預計2006年可以大規模商用。

　　在核心網，R5協議引入了IP多媒體子系統，簡稱IMS。IMS疊加在分組域網絡之上，由CSCF(呼叫狀態控制功能)、MGCF(媒體網關控制功能)、MRF(媒體資源功能)和HSS(歸屬簽約用戶服務器)等功能實體組成。IMS的引入，為開展基于IP技術的多媒體業務創造了條件。目前，基于SIP協議業務主要有：VoIP、PoC、即時消息、MMS、在線游戲以及多媒體郵件等。全球運營商正在進行基于SIP協議的系統和業務測試，尤其是不同運營商的互通測試成為一個業界關注的焦點，它代表了未來業務的發展方向。

2、WCDMA網絡引入對GSM/GPRS網絡設備的影響

　　無論WCDMA的哪個版本，其無線網絡對于GSM/GPRS無線網絡都是革命性的，設備不存在平滑升級的問題。因為GSM/GPRS與WCDMA無線系統的調制方式不同，并且工作頻率也不相同，GSM/GPRS系統工作在900/1800MHz，WCDMA系統主要工作在2.1GHz頻段上，這對于無線網絡規劃提出了新的挑戰。

　　對于核心網絡設備而言，R99版本盡管從網絡結構上延續了GSM/GPRS的特點，仍由電路域和分組域組成，但需對GSM/GPRS的電路域MSC/VLR進行改造使之適應Iu系列接口，并在容量上適應3G系統的要求。對電路域的改造存在著一定的難度，2G MSC/VLR必須引入ATM節點，而對于部署3G網絡的區域主要在城市話務密集區域，這些區域的2G MSC/VLR的負荷更重，另外必須考慮網絡的安全性。分組網絡同樣涉及到接口改造和協議軟件的升級問題。因此，2G網絡實際可利用的資源有限。當然，R99的產品比較成熟，多廠家互通性已經得到驗證，可以大規模部署；由于R99主要考慮對GSM/GPRS的后向兼容，從技術發展方向來看，R99大規模部署也值得商榷。

　　R4系統的部署，核心網絡幾乎全部新建。目前，采用R4組網的商用系統很少，另外，多廠家系統組網還存在兼容性問題需要驗證。部署R4網絡還需要建設全國性的IP骨干網絡，但R4部署對于網絡向全IP化演進有利。

　　為了滿足WCDMA與GSM/GPRS互操作，保證2G網絡與3G網絡的無縫切換，必須對2G網絡進行升級改造?？紤]到3G網絡的部署，為了保證2G用戶平滑升級到3G，即用戶號碼不變，考慮業務的需求，即3G用戶開機優先選擇3G網絡?？臻e模式下支持3G、2G之間雙向小區重選，設置UE優先守侯在3G網絡。

占用模式下，電路域采用3G到2G單向語音切換，分組域采用3G與2G的雙向小區重選，分組域和電路域并發業務時，執行3G到2G的單向語音切換等原則。

　　對于GSM/GPRS設備的改造，主要涉及到以下幾個方面：

　　首先現有的2G HLR應升級支持3G用戶數據存儲，支持2G/3G鑒權功能，支持3GPPMAP協議、ODB閉鎖PS業務、可視電話回落等功能；而2G MSC/VLR應升級支持3G/2G的單向語音切換、ARD忽略、3G終端適配接入、鑒權AC版本等功能。

　　對于分組網絡2G SGSN應升級支持ARD忽略、3G終端適配接入、鑒權AC版本等功能；若3G網絡SGSN不進行新建，2G SGSN還要進一步升級改造滿足3G業務的需要，一般而言，3G網絡的SGSN一般采取新建的方式，避免對2G的SGSN網絡造成很大的沖擊。R4網絡的部署，還需要建設全國性的IP骨干網絡。

　　對于無線網絡，2G BSC必須升級支持3G到2G的單向語音切換、系統間雙向重選，3G終端適配接入等功能。

　　由于GSM運營商受本國CDMA運營商部署EV-DO網絡的競爭壓力，在部署WCDMA網絡的時候，更加關注HSDPA的部署和IMS系統的引入。因此，受運營商開展業務的推動，許多后續版本的一些功能在網絡部署時提前被采用，成為當今WCDMA網絡部署的一種潮流。

3、WCDMA無線網絡規劃必須考慮的幾個問題

　　首先，3G網絡的部署對于擁有2G網絡的移動運營商來說，主要是增強系統無線數據業務的能力，滿足用戶中高速數據業務的需求，而不是解決話音業務的需要。而對于新進入移動領域的運營商，3G網絡部署既要滿足用戶語音的需求，又要滿足數據業務的需求。因此，不同運營商建網策略有很大的不同。目前全球除日本外，獲得3G牌照的新運營商主要采取在經濟發達的城市開始部署WCDMA網絡，而在其他沒有網絡覆蓋的地區通過與原有2G網絡的運營商簽署漫游協議，實現在3G覆蓋區域以外的資源共享，這也是政府在發放3G牌照時對2G網絡運營商的強制性規定。

　　對于擁有GSM網絡的移動運營商，在確定了市場定位、業務策略以及建網策略后，首先要進行2G現有資源的調查，調查主要包括基礎設施(機房面積、供電、鐵塔、傳輸等)、基站城鄉比例、室內分布及信號源、話務密度、話務分布，尤其是GPRS數據業務分布、流量分布、用戶業務類型以及不同業務的閑忙時分布，不同業務對于資源的占用情況等?；A設施的調查主要是可以充分利用現有基礎設施節省投資，同時可以大大加快網絡的部署，在時間上爭取主動。而對于現網話務分布、話務密度以及GPRS數據業務流量、數據用戶行為等方面的調查，是WCDMA網絡覆蓋和資源配置的主要依據。

　　其次，WCDMA無線網絡規劃主要涉及3G網絡覆蓋目標、容量目標、質量目標等方面。覆蓋目標：有數據業務需求為首要考慮因素，由于3G工作在2.1G頻段上，必須進行傳播特性校正。在傳播模型校正的基礎上，對于目標區域CS64、PS64、PS128以及PS384業務應用場景以及要求明確后，為保證覆蓋區內各業務的應用，不同業務、不同的QoS要求，業務覆蓋規劃又是WCDMA無線規劃的重點和難點問題。

　　一般在WCDMA覆蓋區內首先必須保證CS64連續覆蓋。PS32和PS64兩種業務基本保證連續覆蓋，而PS384業務主要適用于室內覆蓋。對于更高數據業務的需求或考慮競爭策略的需求，可以在重點地區進行HSDPA的部署，網絡部署初期可以同WCDMA采用同一個載頻，待業務發展到一定階段，再考慮用獨立的載頻進行HSDPA的部署。對于HSDPA網絡的引入，網絡規劃的協調難度進一步加大。目前，商用的WCDMA網絡規劃軟件還沒有HSDPA的規劃模塊。

　　第三，WCDMA無線接入技術基于CDMA技術，因此3G無線網絡在進行覆蓋規劃和容量規劃時，要充分考慮CDMA技術的特點。CDMA是一個自干擾系統，系統容量為一個動態容量，系統在不同負荷情況下存在呼吸效應，在網絡規劃中必須重視這一點。網絡規劃時不同的話務密度區域考慮上行負載取值不同，室內及室外熱點地區一般取50%，城區和郊縣取30%-40%，其他區域小于30%。

　　第四，關于網絡規劃的容量設計，語音資源配置模型可以參考2G網絡實際運行的話務模型，而對于數據業務資源的配置，除結合2G網絡的數據業務模型外，要根據語音業務與數據業務的不同特點，以及用戶對這兩種業務的使用忙時不同，綜合考慮進行資源合理配置，以便節省投資。這里，非凡要提到軟切換比例問題，軟切換技術對于改善網絡質量，尤其是減少掉話作用比較明顯，但是以消耗資源為代價的。一般CDMA系統設計時，城區軟切換因子取38%左右，郊區等其他地區原則上小于20%。

　　第五，對于擁有2G網絡的運營商，在規劃3G網絡時，2G/3G的無縫漫游與切換的配合問題非常重要。2G/3G無縫配合問題主要涉及到非常復雜的技術問題，如2G、3G獨立組網還是將2G網絡升級改造后組網，這部分內容在本文第二部分已經進行了論述，但具體的數據設置如位置區的劃分以及相鄰小區的關系等，不僅影響網絡的質量，而且對于今后的運行維護與網絡優化至關重要。

4、結束語

　　WCDMA網絡的部署是一個長期的過程，不同運營商市場定位、業務策略等不同，版本選擇和組網的原則也不相同。由于我國目前還沒有大規模的網絡建設，加之我們對WCDMA技術的理解和熟悉有限，歡迎大家批評指正。

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